热熔螺母嵌件在3D打印塑胶壳体中的应用研究

作者：王琛，张佳音，蒋旻翰，夏凌然（南京林业大学家居与工业设计学院）

壳体作为产品结构的主要组成部分，具有容纳和定位零件、美化和装饰外观的功能。塑胶因其具有质轻、绝缘、低成本和易加工等特点被广泛应用于电子、机械及日用产品壳体的生产制造中。对于大批量生产的塑胶壳体，通常采用注塑、挤塑等传统工艺进行制造；而对于小批量定制的塑胶壳体，采用3D打印工艺既节省了开模的时间和成本，又简化了开发流程、提高了生产效率。

塑胶壳体多设计为分体结构，各部分通过卡扣、自攻螺丝、机制螺丝等连接方式进行装配。近年来，许多文献对塑胶壳体的连接方式及其性能进行了探究。陈丽兰等分析了塑胶卡扣的基本类型，以及其在生产过程中的注塑工艺控制要点和插拔性能影响因素。李丽坤基于有限元方法计算了塑胶卡扣的极限拔脱性能，并结合仿真结果对卡扣结构进行了优化。张琳总结了螺丝柱、焊接柱的结构特点，从模具设计和注塑工艺角度对螺丝柱、焊接柱的连接性能进行了探讨。相关研究表明，卡扣、自攻螺丝、机制螺丝等连接方式具有较好的连接性能，然而在长期使用的过程中，容易出现松动、蠕变、应力集中等现象，耐久性能较差。

考虑到一些产品具有拆卸和维修的需求，3D打印塑胶壳体的连接结构既要实现壳体零件间的静态连接，又要具有可多次拆卸与装配的耐久性能。使用热熔螺母嵌件植入塑胶壳体中，配合以紧固螺丝的连接方式，可以在不损失螺母完整性的情况下实现塑胶壳体的重复拆装，具有较好的连接性能和耐久性能。因此，本文对螺母嵌件在3D打印塑胶壳体中的应用进行了研究，通过单因素试验分析了嵌件类型、热熔温度和孔洞直径对热熔螺母嵌件与塑胶连接性能的影响，采用田口方法对埋植参数进行优化，得到埋植参数的优化组合，完成了热熔螺母嵌件在3D打印电子产品壳体中的应用实践。

1、实验部分(节选）

制样过程
应用Solidworks软件绘制塑胶基座的3D模型，基座形状为长方体，尺寸为15 mm×15 mm×12 mm。将塑胶基座3D模型导出为STL文件，并加载到Cura软件中进行切片处理，生成G⁃code加工数据。选取埋植参数中的嵌件类型、热熔温度和孔洞直径作为正交试验影响因子，设计3因素3水平正交试验（表1），使用桌面级3D打印机进行9组塑胶基座的制备，并对9组塑胶基座进行螺母嵌件的埋植操作。

表1  因素水平表

埋植操作的基本步骤为：首先把塑胶基座放置于水平工作平台上，将螺母嵌件的导入端与塑胶基座的开孔进行对齐定位。随后加热电烙铁至220 ℃，让其压头与螺母嵌件的顶端接触，使螺母嵌件温度升高，当温度达到塑胶自身的融化温度时，对电烙铁压头施加竖直方向的压力，将螺母嵌件埋入塑胶基座中。最后退出压头，冷却后的螺母嵌件与塑胶基座固化成为一体。螺母嵌件的埋植操作流程如图2所示，完成螺母嵌件埋植的9组塑胶基座如图3所示。

图2  螺母嵌件的埋植操作流程

图3  螺母嵌件植入效果图

性能测试与结构表征

用热导率测试仪对复合材料的导热性能进行测试，需对样品表面进行抛光和清洁处理，表面涂抹导热硅脂，冷源温度设置为18 ℃，热源温度为60 ℃，压力为40 N；

密度依据浸渍法测量；
拉伸试验和三点弯曲实验在万能试验机上进行，试验速度设置为2.0 mm/min；
冲击试验在简支梁冲击试验机上进行，能量为5 J，速度为2.9 m/s，跨距为62 mm；
采用FTIR对改性后的BF官能团进行分析，扫描范围为4000~400 cm-1。
使用SEM观察复合材料的微观形貌，加速电压为15 kV。

ABAQUS 仿真参数
对植入塑胶基座的螺母嵌件抗拔脱性能进行测试，如图4所示，选用M4机米螺丝拧入螺母嵌件中（直至拧紧），试验在万能力学试验机上进行。加载过程中，机米螺丝的螺纹段由上端夹具夹紧，由于上端夹具内壁含有锯齿，可减少拉伸时机米螺丝与夹具间的相对滑移。塑胶基座由下端夹具夹持固定，试验采用位移加载模式，加载速率为2 mm/min。

图4  抗拔脱性能测试

对植入塑胶基座的螺母嵌件抗扭转性能进行测试，如图5所示，选用M4机米螺丝拧入螺母嵌件中（直至拧紧），将塑胶基座夹持固定于台虎钳上。利用扭力扳手顺时针拧动机米螺丝，直至螺母嵌件从塑胶基座中拧转脱离，记录下拧转过程中的最大扭矩。

图5  抗扭转性能测试

2、热熔螺母嵌件与塑胶连接性能分析与优化

2.1单因素分析

2.1.1 嵌件类型对嵌件与塑胶连接性能的影响

选择热熔螺母嵌件中最常用的3类嵌件（斜纹、网纹、直纹），设置热熔温度为220 ℃、孔洞直径为5.8 mm，对各类嵌件与塑胶的连接性能进行测试，测试结果如图6~7所示。可以看出，斜纹、网纹、直纹螺母嵌件的最大拉出力分别为1.10、0.78、0.34 kN，最大扭矩分别为2.92、2.02、2.61 N·m。斜纹螺母嵌件的最大拉出力比网纹、直纹螺母嵌件的最大拉出力分别提升了29.09 %、69.09 %，最大扭矩比网纹、直纹螺母嵌件的最大扭矩分别提升了30.82 %、10.62 %。抗拔脱性能排序为：斜纹>网纹>直纹，抗扭转性能排序为：斜纹>直纹>网纹。嵌件的形状影响了其与塑胶的连接性能，由于斜纹螺母嵌件的滚花纹路最深，嵌件埋入塑胶时，滚花的吃胶面积越大，其表面融化附着的塑胶量越多，塑胶对嵌件产生的轴向和扭转阻抗力越大，因此其抗拔脱、抗扭转性能最好。网纹螺母嵌件的滚花外壁具有钉状结构，嵌件埋入塑胶时，钉状结构均匀地扎入塑胶中，形成了较强的轴向和扭转阻抗力，但由于其滚花纹路最浅，嵌件与塑胶的扭转接触面积最小，因此其抗扭转性能最差。直纹螺母嵌件的滚花纹路与扭转平面垂直，有效增加了嵌件与塑胶的扭转接触面积，加强了嵌件的抗扭转性能，但由于其滚花纹路与拉出方向一致，塑胶对嵌件产生的轴向阻抗力较小，因此其抗拔脱性能最差。在试验加载过程中，由于机米螺丝的外螺纹受到万能力学试验机上端夹具中锯齿状内壁的机械咬合而发生部分磨损，随着载荷的增加逐步产生滑移，在载荷⁃位移曲线中出现了局部锯齿状波动线段，数据点呈现了离散性特征。

图6  载荷⁃位移曲线

图7  嵌件类型对最大扭矩的影响

2.1.2 热熔温度对嵌件与塑胶连接性能的影响

热熔温度是指埋植螺母嵌件时，电烙铁压头的设定温度。选择斜纹螺母嵌件，设置孔洞直径为5.8 mm。对180、200、220 ℃ 3种热熔温度下嵌件与塑胶的连接性能进行测试，测试结果如图8~9所示。可以看出，180、200、220 ℃热熔温度下嵌件的最大拉出力分别为0.83、0.88、1.10 kN，最大扭矩分别为2.12、2.40、2.92 N·m。220 ℃热熔温度下嵌件的最大拉出力比200 ℃和180 ℃热熔温度下的最大拉出力分别提升了20.00 %和24.55 %，最大扭矩比200 ℃和180 ℃热熔温度下的最大扭矩分别提升了17.81 %和27.40 %。180~220 ℃范围内，随着热熔温度的升高，嵌件的最大拉出力、最大扭矩增大，嵌件与塑胶的连接性能增强。这是因为嵌件与塑胶界面的结合形式分为机械咬合与化学键合。前者由于嵌件表面粗糙不平、存在凹凸结构，黏流态的塑胶流动、附着并镶入到嵌件表面的凹凸结构中，形成了微观机械咬合。随着热熔温度的升高，塑胶的流动性越好，在嵌件表面形成了有效的铺展和润湿，增加了嵌件的吃胶面积，提高了嵌件与塑胶界面的结合强度；后者是在高温作用下，聚乳酸塑胶中的活性基团与黄铜表面的氧化物发生反应，形成C—O—M型化学键（M表示金属）。具体讲，在热熔埋植的过程中，嵌件与塑胶界面处的活性基团羧基（—COOH）中的碳氧双键会打开，并通过氧原子与嵌件表面的氧化锌（ZnO）发生反应，最终形成—C—O—Zn化学键。热熔温度越高，嵌件与塑胶界面形成的—C—O—Zn化学键越多，界面结合强度越高，嵌件与塑胶的连接性能越强。

图8  载荷⁃位移曲线

图9  热熔温度对最大扭矩的影响

2.1.3 孔洞直径对嵌件与塑胶连接性能的影响

孔洞直径是指塑胶基座中用于埋植螺母嵌件的开孔直径。选择斜纹螺母嵌件，设置热熔温度220 ℃。对5.8、5.9、6.0 mm 3种孔洞直径下嵌件与塑胶的连接性能进行测试，测试结果如图10~11所示。可以看出，5.8、5.9、6.0 mm孔洞直径下嵌件的最大拉出力分别为1.10、0.72、0.43 kN，最大扭矩分别为2.92、2.51、1.92 N·m。5.8 mm孔洞直径下嵌件的最大拉出力比5.9、6.0 mm孔洞直径下的最大拉出力分别提升了34.55 %、60.91 %，最大扭矩比5.9、6.0 mm孔洞直径下的最大扭矩分别提升了14.04 %、34.25 %。5.8~6.0 mm范围内，随着孔洞直径的减小，嵌件的最大拉出力、最大扭矩增大，嵌件与塑胶的连接性能增强。这是因为在嵌件埋入塑胶的过程中，接触界面上融化的塑胶随着嵌件的埋入逐步排挤、流动并填充到嵌件的滚花、倒钩和凹槽的间隙处。随着孔洞直径的减小，融化排挤的塑胶量增多，足量的塑胶流动并填充到嵌件的间隙处，提高了嵌件与塑胶界面的结合强度，因此嵌件与塑胶的连接性能增强。

图10  载荷⁃位移曲线

图11  孔洞直径对最大扭矩的影响

2.2田口分析

2.2.1 试验设计
通过上文单因素试验分析结果可知，埋植参数中的嵌件类型、热熔温度和孔洞直径对嵌件与塑胶连接性能的影响效果明显。为优化埋植参数设置，进一步提高螺母嵌件与塑胶的连接性能，选取嵌件类型、热熔温度和孔洞直径作为影响因子进行田口试验设计，应用Mintab18软件制作L9型正交试验表如表2所示。

表2  正交试验方案及结果

2.2.2 信噪比分析

应用Mintab18软件对正交试验结果（表2）进行计算分析，为了进一步提高螺母嵌件与塑胶的连接性能，数据分析时选用望大特性。对由正交试验得到的9组最大拉出力和最大扭矩数据进行加权求和，通过对最大拉出力P和最大扭矩T进行线性函数归一处理，设置加权系数各为0.5，求出嵌件与塑胶的连接性能加权值Wi。将9组连接性能加权值Wi输入Mintab18软件中进行田口分析，得到嵌件与塑胶连接性能的信噪比响应表（表3）和信噪比响应图如图12所示。

表3  信噪比响应表

图12  信噪比响应图

从表3可以看出，嵌件类型（因素A）的秩值最大，为6.743，其对嵌件与塑胶连接性能的影响最大；孔洞直径（因素C）的秩值居中，为3.390，其对嵌件与塑胶连接性能的影响次之；热熔温度（因素B）的秩值最小，为0.787，其对嵌件与塑胶连接性能的影响最小。

信噪比响应图进一步验证了以上结论，由图12可见，A、B、C 3个因素信噪比响应图中，嵌件类型响应曲线的斜率最大，其对嵌件与塑胶连接性能的影响最大；孔洞直径响应曲线的斜率次之，其对嵌件与塑胶连接性能的影响次之；热熔温度响应曲线的斜率最小，其对嵌件与塑胶连接性能的影响最小。综上分析，最优埋植参数组合为A1B3C1，即嵌件类型为斜纹、热熔温度为220 ℃、孔洞直径为5.8 mm。对此试验结果进行验证，按该组合对应的埋植参数制作试件，对试件进行连接性能测试，测得其最大拉出力为1.22 kN、最大扭矩为3.04 N·m。高于正交试验设计表格中最大拉出力和最大扭矩的最大值，验证了A1B3C1为最优方案。

3、热熔螺母嵌件在3D打印塑胶壳体中的应用实践

3.1结构设计
进行螺母嵌件埋植操作前，首先对3D打印塑胶壳体进行结构设计。塑胶壳体的结构设计包含形状、脱模斜度、壁厚、加强筋、止口等多个要素，与热塑性塑胶常用的注塑等传统工艺不同，3D打印工艺制造的塑胶壳体有其特定的设计原则。以3D打印电子产品塑胶壳体为例，对其进行结构设计，总结设计原则如下：（1）3D打印塑胶壳体的内外表面应尽可能避免出现侧凹或侧凸部分，否则在打印时会产生支撑结构，影响壳体的外观。（2）区别于注塑件，3D打印塑胶壳体由于不需要进行脱模处理，因此无须设置脱模斜度。（3）为了保证结构强度和成型品质，避免产生侧壁填充间隙，3D打印塑胶壳体的壁厚范围设置为2~3 mm，且壁厚需设置为挤出头直径的整数倍（一般挤出头直径为0.4 mm）。（4）3D打印塑胶壳体的加强筋、止口等结构的厚度不应小于1 mm，且无须设置脱模斜度。

参考上述原则设计完成的3D打印电子产品壳体如图13所示，此3D打印电子产品壳体分为上、下壳体2个部分，上、下壳体之间通过埋植热熔螺母嵌件，配合紧固螺钉的方式进行连接。壳体的侧壁开有2个方形槽，用于放置电源接口和数据接口。上、下壳体的壁厚均设计为2.4 mm，上壳体的公止口与下壳体的母止口厚度均为1.2 mm，加强筋的厚度为2 mm，上、下壳体、止口和加强筋均无脱模斜度。根据上文的埋植参数优化结果，植入螺母嵌件的孔洞直径为5.8 mm，孔深为8 mm。

图13  3D打印电子产品壳体的结构示意图

3.23D打印与埋植操作
使用桌面级3D打印机制作电子产品塑胶壳体，成型材料选用PLA打印丝，层高设置为0.2 mm，打印速度设置为50 mm/s。为尽量避免壳体产生支撑结构，在进行切片处理时，将上、下壳体的上底面和下底面分别贴合在打印平台上，以尽可能减少壳体模型产生悬空部分。为了节省打印材料、提高打印速度，在保证模型打印品质的前提下，适当缩减了塑胶壳体的填充率，采用经济型填充方式，填充率设置为15 %。对于3D打印进程中出现的拉丝等问题，需等待打印结束后，通过后处理手段，采用机械打磨等方法去除。

打印完成后，对打印成型的下壳体进行螺母嵌件的埋植操作，根据上文的埋植参数优化结果，选用斜纹螺母嵌件，电烙铁热熔温度设置为220 ℃。埋植操作的基本步骤见上文。嵌件埋植完成后，将PCB电路板装配在下壳体中，盖上上壳体，拧紧螺丝后即完成装配步骤，嵌件埋植与装配过程如图14所示。3D打印塑胶壳体具有表面品质好、结构强度高、开发成本低、定制效率高等优点。将热熔螺母嵌件应用到3D打印塑胶壳体中，进一步提高了塑胶壳体的连接性能和耐久性能，具有较好的实用推广价值。

图14  嵌件埋植与装配过程示意图

4、结论
（1）探究嵌件类型、热熔温度和孔洞直径对热熔螺母嵌件与塑胶连接性能的影响；通过单因素试验分析表明：嵌件的形状影响了其与塑胶的连接性能，各类嵌件的抗拔脱性能排序为：斜纹>网纹>直纹，抗扭转性能排序为：斜纹>直纹>网纹；180~220 ℃范围内，随着热熔温度的升高，嵌件与塑胶的连接性能增强；5.8~6.0 mm范围内，随着孔洞直径的减小，嵌件与塑胶的连接性能增强；

（2）选取埋植参数中的嵌件类型、热熔温度和孔洞直径作为正交试验影响因子，通过田口分析表明，埋植参数对嵌件与塑胶连接性能的影响程度为：嵌件类型>孔洞直径>热熔温度，优化埋植参数为：嵌件类型（斜纹）、孔洞直径（5.8 mm）、热熔温度（220 ℃），此参数组合下热熔螺母嵌件的最大拉出力为1.22 kN、最大扭矩为3.04 N·m，嵌件与塑胶的连接性能最佳；

（3）3D打印塑胶壳体具有表面品质好、结构强度高、开发成本低、定制效率高等优点；将热熔螺母嵌件应用到3D打印塑胶壳体中，进一步提高了塑胶壳体的连接性能和耐久性能，具有较好的实用推广价值。